煤田地质与勘探

作者：周浪, 马振乾, 黄青荣, 帅运林, 张吉民, 刘荣科,

关键词：红页岩, 细观力学特性, 纳米压痕试验, Voronoi离散元法, 矿物劣化,

目的通过纳米压痕试验研究矿物细观力学特性，对于揭示矿物细观尺度破坏机制具有重要意义。方法以磷矿红页岩围岩主要矿物为对象，采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)试验对红页岩主要矿物进行定性、半定量和空间分布特征分析，开展靶向纳米压痕试验，获取矿物细观力学性质。基于Voronoi多边形法构建细观矿物纳米压痕离散数值计算模型，并将模拟结果与试验结果进行对比分析。结论和结果结果表明：(1)红页岩中含石英、钠长石、绿泥石和伊利石4种矿物，弹性模量依次为95.62、78.13、53.50、48.91 GPa，石英、钠长石矿物力学性质最好，绿泥石和伊利石最差，表明红页岩非均质性、多相性的材料属性。(2)室内试验表明矿物内部缺陷、微孔隙的存在导致荷载−位移曲线台阶拐点等异常情况，而模拟结果表明矿物颗粒簇尺寸、含量和空间分布特征均会使荷载−位移曲线出现拐点突增等情况，解释了纳米压痕荷载−位移曲线出现异常点的原因。(3)矿物压入后在微裂纹类别、数量、占比及倾向分布的差异较大，表征受载过程矿物劣化程度及微裂纹扩展方向。研究成果有助于预测矿物受荷载作用时的开裂方向，为细观矿物劣化分析提供理论支持，对相似工况下围岩灾害预防提供借鉴。

来源：2024年第11期

《煤田地质与勘探》期刊编辑部

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